KR20100106381A - 패킷 교환 데이터 네트워크에서의 혼잡 제어 방법 및 데이터 네트워크 - Google Patents

패킷 교환 데이터 네트워크에서의 혼잡 제어 방법 및 데이터 네트워크 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 패킷 교환 네트워크에서의 혼잡을 제어하는 방법은 혼잡 노드의 업스트림 노드에 소정 기간 동안 전송을 중지하라는 중지 메시지를 전송하는 것을 포함한다. 혼잡 노드는 또한 업스트림 노드에게 정보를 보내 혼잡을 경감시키는데 필요한 버퍼 크기를 통지한다. 업스트림 노드의 버퍼 용량이 필요한 양 이상이면, 추가적인 액션은 취해지지 않는다(7). 업스트림 노드의 버퍼 용량이 필요한 양보다 적으면(6), 송신 노드로부터 이용가능한 양을 고려하여 혼잡을 줄이기 위해 필요한 버퍼 크기를 나타내는 표시와 함께, 업스트림 노드에 중지 메시지를 보낸다.

Description

패킷 교환 데이터 네트워크에서의 혼잡 제어 방법 및 데이터 네트워크{CONTROLLING CONGESTION IN A PACKET SWITCHED DATA NETWORK}
본 발명은 패킷 교환 데이터 네트워크에서의 혼잡(congestion)을 제어하는 방법 및 그러한 방법을 이용하는 네트워크에 관한 것이다.
라우터, 스위치 또는 브리지에서 버퍼 크기의 최적화는 달성하기가 어렵다. 과도하게 큰 버퍼는 이들을 포함하는 네트워크 요소에 있어 보다 많은 비용을 초해하며 또한 높은 지연과 같은 성능 문제를 일으킨다. 반면에, 작은 버퍼는 저렴하지만 예측할 수 없는 버스티 트래픽에 대한 패킷 손실을 증가시킨다. 예컨대 파일 전송 및 웹 브라우징에 사용되는 TCP(Transmission Control Protocol)와 같은 상위 계층 애플리케이션에서는, 패킷 손실이 트래픽 전송 레이트의 감소를 유발한다. 이것은 다시 수율을 떨어뜨리고 파일 다운로드 및 반응 시간을 증가시킨다. TCP 성능에 대한 버퍼 크기의 효과는, 트래픽 및 네트워크 구성을 고려할 때, 파라미터의 수 및 특정 환경에 의존한다. 본 명세서에 참조로서 인용되는 2005년 7월 2일에 간행된 D.Wischik 및 N.McKeown의 논문 "Part 1: BufferSizes for Core Routers", ACM SIGCOMM Computer Communication Review 제35권 제2호는 적절한 버퍼 크기를 결정하는 것과 관련된 일부 고려사항을 논의하고 있다.
이더넷 백프레셔(Ethernet back-pressure)는 홉대홉(hop-by-hop) 혼잡 제어 메커니즘이다. 노드가 송신되고 있는 모든 트래픽을 수용하기에 불충분한 버퍼 용량을 갖는 혼잡 시에, 혼잡 노드는 업스트림 이웃에게 신호를 보내 IEEE 표준 802.3-2005의 31B.3 "Detailed specification of PAUSE operation"에 개시된 PAUSE 메시지를 사용하여 데이터 전송을 중단하게 할 수 있다. PAUSE 메시지는 송신 업스트림 노드에게 설정 기간동안 전송을 중단하도록 명령한다. 일시적인 전송 중단으로 인해, 업스트림 노드가 혼잡해지면, 업스트림 노드는 또한 자신의 업스트림 노드에 PAUSE 메시지를 전송할 수 있으며, 이들이 업스트림으로 반복될 수 있다. 따라서, 혼잡이 발생하면, 다수 노드에서 버퍼를 활용하여 패킷을 유지할 수 있게 된다. 일부 상황에서는 PAUSE 메커니즘을 이용하면 PAUSE 인스트럭션이 다수 노드를 통해 업스트림에 전파되어 전체 네트워크가 막힐 위험이 있다.
본 발명의 제 1 측면에 따르면, 패킷 교환 데이터 네트워크 내의 혼잡(congestion)을 제어하는 방법은 네트워크의 제 1 노드에서 혼잡을 검출하는 단계와, 혼잡이 검출되면, 소정 기간 동안 제 1 노드로의 데이터 전송을 중지시키기 위해 제 1 노드로부터 업스트림인 제 2 노드로 중지(pause) 메시지를 송신하고, 혼잡을 경감시키는데 필요한 버퍼 공간의 양을 나타내는 정보를 상기 제 2 노드로 송신하는 단계와, 제 2 노드의 상기 버퍼 용량이 필요한 버퍼 용량보다 적은 경우, 혼잡을 감소시키도록 동작하는 단계를 포함한다. 중지 메시지는 이더넷 표준에 따른 PAUSE 메시지일 수 있지만, 본 발명은 다른 동작 프로토콜을 이용하는 네트워크에도 적용가능하다. 중지 메시지가 송신 노드로부터의 데이터 전송이 소정 기간 동안 중지되게 한다는 것은 본 발명의 가장 넓은 범위에 필요할 뿐이다. 본 발명은 이더넷 백 프레셔 혼잡 제어 메커니즘을 제어하고 패킷 교환 네트워크에서 노드들에게 유연한 버퍼 공간을 제공하는 방법을 제공한다.
제 2 노드는 혼잡을 감소시키기 위해 패킷을 드롭할 수 있다. 본 발명에 따른 다른 변형에에서는, 제 2 노드의 버퍼 용량이 필요한 버퍼 용량보다 적은 경우, 제 2 노드의 업스트림인 제 3 노드에 중지 메시지를 송신함으로써 상기 혼잡을 감소시키도록 동작한다. 제 2 노드의 버퍼 용량이 필요한 버퍼 용량보다 적은 경우, 제 2 노드의 버퍼 용량을 고려하여 필요한 버퍼 공간의 양을 나타내는 정보가 제 3 노드로 송신될 수 있다. 요구된 버퍼 크기는 관여하는 다수 노드의 용량에 따라 변할 수 있으며, 체인 내의 특정 노드가 필요한 용량을 충족할 수 없을 때에만 중지 메시지가 업스트림으로 전송되며, 중지 메시지는 제어되지 않은 방식으로 확산되지는 않을 것이다. 따라서, 본 발명을 이용하면, 전체 네트워크가 정체될 가능성이 줄어든다.
중지 메시지는 필요한 버퍼 공간의 양을 나타내는 정보를 포함할 수도 있다. 중지 메시지가 이더넷 프로토콜에 따른 PAUSE 메시지인 경우, 중지 메시지는 혼잡의 존재 및 필요한 버퍼 용량을 나타내는데 사용되는 IEEE 802.3x에서 지정된 구조에 부가적인 비트를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 다른 방법에서는, 필요한 버퍼 공간의 양을 나타내는 정보가 중지 메시지 외의 다른 유형의 메시지로 송신된다. 따라서, 중지 메시지는 필요한 버퍼 용량을 나타내는 메시지와 별도로 송신될 수 있다.
노드에서 혼잡 상태의 존재는 명시적으로 또는 은연중에 업스트림 노드로 신호 전송될 수 있다. 버퍼 크기 요구를 갖는 메시지를 중지 메시지의 일부로서 또는 중지 메시지에 수반되지만 그와 별도로 송신함으로써, 업스트림 노드는 다운스트림 노드에서 혼잡을 검출했음을 추론할 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 일부 방법에서는, 예컨대 혼잡 정보에 전용인 메시지 비트를 포함시킴으로써 혼잡의 존재가 명시적으로 제시된다. 이러한 혼잡 정보는 단지 혼잡의 존재 여부에 대한 표시일 뿐일 수 있다. 다른 경우에는, 다수의 혼잡 코드 중 하나의 적절한 선택에 의해 관련 혼잡의 유형이 포함될 수도 있다. 예컨대, 많은 TCP 접속이 혼잡을 일으키고 이들이 동기화되어 동시에 그들에게 영향을 미치는 패킷 손실을 갖는다는 것을 나타내는 것이 유용할 수 있다. 부분적인 동기화만 있는 경우에는 또 다른 유형의 혼잡이 발생할 수 있다. 다른 유형에서는, 지속적인 흐름의 존재가 혼잡을 일으킬 수도 있다.
본 발명에 따른 다른 방법에서는, 관리 시스템이 포함될 수 있다. 관리 시스템은 혼잡 노드 또는 노드들에서 혼잡을 완화시키는데 필요한 버퍼 크기를 평가하기 위해 네트워크 아키텍처, 트래픽 흐름 및 처리 능력의 오버뷰를 가질 수 있다. 혼잡 노드는 혼잡의 존재를 나타내는 메시지, 가능하게는 혼잡 유형의 표시자를 포함하는 메시지를 관리 시스템으로 송신할 수 있다. 관리 시스템은 버퍼 크기의 표시 및 혼잡을 경감시키는데 필요한 네트워크 경로 중 적어도 하나로 혼잡 노드에게 응답할 수 있는데, 이는 관련 혼잡 노드의 유형에 의존할 수 있다. 네트워크 경로는, 예컨대, 혼잡을 일으키는 흐름이 통과하는 노드 ID들에 의해 지정될 수 있다. 이 경우 중지 메시지는 경로를 따라서만 보내질 수 있다. 관리 시스템은 또한 중지 메시지 및 버퍼 크기의 표시가 혼잡 노드에 의해 어느 업스트림 노드로 송신되어야 하는 지의 표시를 보낼 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 데이터 네트워크는 전술한 방법에 따른 혼잡 제어 메커니즘을 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 데이터 네트워크를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 도 1의 네트워크의 제 1 노드와 관련된 본 발명에 따른 방법의 단계들을 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 도 1의 네트워크의 제 2 노드와 관련된 본 발명에 따른 방법의 단계들을 개략적으로 도시한 도면.
도 4는 도 1의 네트워크의 제 1 노드와 관련된 본 발명에 따른 다른 방법의 단계들을 개략적으로 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 다른 데이터 네트워크를 개략적으로 도시한 도면.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 예를 통해 본 발명의 실시예들을 설명한다.
도 1을 참조하면, 이더넷 프로토콜에 따라 동작하는 데이터 네트워크(1)는 프레임들이 일시적으로 저장되는 버퍼를 각각 포함하는 복수의 노드(2, 3, 4)를 포함한다. 각각의 노드는 점유되는 버퍼 용량 및 비어 있어 인입 데이터 패킷을 유지하는데 사용될 수 있는 양을 검출하는 표시기를 구비한다. 노드들은 라우터, 스위치, 브리지 또는 데이터 패킷을 유지하는데 요구되는 다른 네트워크 요소들일 수 있다. 제 1 노드(2)는 제 2 노드(3)로부터 데이터 패킷을 수신하는 제2 노드의 다운스트림이다. 이와 유사하게, 제 2 노드(3)는 제 3 노드(4)의 다운스트림이다. 실제로는, 노드는 업스트림 또는 다운스트림 방향으로 하나 이상의 다른 노드에 접속될 수 있다.
제 1 노드(2)는 제 2 노드(3)로부터 프레임 또는 데이터 패킷을 수신한다. 이들이 너무 높은 레이트로 전송되면, 제 1 노드(2)에 남아 있는 버퍼 공간이 불충분해져서 제 1 노드(2)가 혼잡하게 된다. 혼잡의 존재는 다수의 다른 방법에 의해 결정될 수 있다. 예를 들면, 버퍼가 심지어 하나의 부가적인 패킷조차 수용하기에 불충분한 공간을 갖고 있기 때문에 제 1 노드가 다른 데이터 패킷을 수신할 수 없을 때, 또는 트래픽 관리 원리에 기초한 계산에 의해, 또는 큐 점유가 소정의 임계치를 초과하거나 또는 평균 큐 점유를 측정함으로써 이 평균이 소정의 사전 지정된 임계치를 초과하면, 혼잡이 존재하는 것으로 선택될 수 있다.
도 2의 5에 도시된 바와 같이 제 1 노드(2)에서 혼잡이 검출되면, 6에서 혼잡 상태를 해결하기 위해 필요한 버퍼 공간(B)의 양이 제 1 노드(2)의 버퍼 용량(b1)과 비교된다. B의 값은 네트워크 혼잡을 처리하기에 최적화되도록 선택되며, 고정된 값이다. 본 발명에 따른 다른 방법에서는, B의 값이 변할 수 있다. 제 1 노드의 버퍼 용량(b1)이 B 이상이면, 7에 도시된 바와 같이 아무런 액션도 취해지지 않는다. 그러나, 버퍼 용량(b1)이 B보다 작으면, 8에 도시된 바와 같이 PAUSE 메시지가 제 1 노드(2)의 업스트림인 제 2 노드(3)로 전송된다. PAUSE 메시지는 제 2 노드(3)에게 정해진 기간 동안 제 1 노드(2)로의 전송을 중지할 것을 명령한다. PAUSE 메시지는 IEEE 802.3-2005에 따르며 새로운 값(B1)(여기서, B1=B-b1)을 나타내도록 F 필드에 부가적인 비트를 포함한다.
제 2 노드(3)는 도 3의 9에 도시된 바와 같이, PAUSE 메시지를 수신하여 이를 판독한다. 제 2 노드는 값(B)을 (B1)으로 재설정하여, 제 1 노드(2)에서 이용가능한 용량을 감안한다. 10에서, 제 2 노드는 B의 새로운 값을 자신의 버퍼 용량(b2)과 비교한다. 버퍼 용량(b2)이 B 이상이면, 11에 도시된 바와 같이 더 이상의 추가적인 액션은 취해지지 않는다. 그러나, b2가 B보다 작으면, 12에서 제 2 노드는 혼잡 여부를 판정한다. 혼잡하면, 도 13에 도시된 바와 같이 제 2 노드는 F 필드에 B1에 대한 새로운 값(B1=B-b2)을 포함하는 PAUSE 메시지를 업스트림 제 3 노드(4)로 전송한다.
이 메커니즘은 혼잡이 경감될 때까지 다른 업스트림 노드들에 대해 반복된다.
도 2 및 3과 관련하여 전술한 방법에서, 혼잡 상태가 존재한다는 특별한 언급은 없는데, 이는 PAUSE 메시지에 B1에 대한 값을 포함하는 것에 의해 표시되기 때문이다. 그러나, 다른 방법에서는, 혼잡이 있다는 표시가 PAUSE 메시지와 함께 전송된다. 이것은 다른 유형의 혼잡 상태가 존재할 수 있고 이들 간을 구별하는 것이 바람직한 경우에 유용할 수 있다. B1의 값은 관련 혼잡의 유형에 따라 선택될 수 있다.
본 발명에 따른 다른 방법에서는, 도 4에 도시된 바와 같이, 14에서 전송된 PAUSE 메시지가 버퍼 크기 또는 혼잡과 관련된 정보를 포함하지 않는다. 15에서 별도의 메시지가 제 1 노드(2)로부터 제 2 노드(3)로 전송되며, 이 메시지는 버퍼 크기(B) 및 이 특정 방법에서는 혼잡 유형 표시자(C)를 포함한다.
도 5를 참조하면, 데이터 네트워크(16)는 노드(17, 18, 19) 및 관리 시스템(20)을 포함한다. 본 발명에 따른 방법에서, 제 1 노드(17)가 혼잡 경보 메시지를 관리 시스템(20)으로 송신한다. 관리 시스템(20)은 네트워크 토폴로지, 그 경로 상의 트래픽 흐름 등의 오버뷰(overview)를 포함한다. 관리 시스템(20)은 B의 값, 최적 성능에 필요한 버퍼 공간에 대한 신호를 혼잡 노드로 보낸다. B의 값은 혼잡 노드에서의 혼잡 특성을 고려하여 조정될 수 있다. 관리 시스템은 또한 제 1 노드(17)에 의해 PAUSE 메시지가 전송되는 업스트림 노드를 지정할 수도 있다. 관리 시스템(20)은 또한 전방 전송에 대해 어떠한 유형의 혼잡이 존재하는 지에 대한 신호를 제 1 노드(17)로 보낼 수도 있다.
전술한 예에서, 이더넷 프로토콜에 따른 PAUSE 메시지를 참고하였지만, 이 방법을 이더넷 장치에서 구현하는 것이 본 발명에 필수적인 것은 아니다. 중지 메시지가 소정 기간 데이터 패킷의 전송을 중단하는 것에 관여하는 노드에 정보를 전달하는 임의의 적절한 구조일 수 있다. 이와 달리, 관리 시스템이 문제를 일으키는 트래픽 흐름이 통과하는 노드 및 그들의 ID의 스트링으로 이루어진 전체 네트워크 경로를 지정할 수도 있다. 이 경우 PAUSE 메시지는 이 지정된 경로 상의 노드들에게만 보내질 수 있다. 이와 같은 방법을 실현하기 위해 관리 시스템은 관련 노드의 ID(이더넷 MAC 어드레스 또는 IP 어드레스)와 함께 특별한 메시지를 혼잡 노드로 보낼 수 있다.
본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요 특징으로부터 벗어나지 않고, 다른 형태로 실시될 수 있으며, 다른 방법들에 의해 실행될 수 있다. 상술한 실시예 및 방법은 모든 면에서 예시적인 것으로만 간주되어야지 제한적인 것으로 간주되어서는 안 된다. 따라서, 본 발명의 범위는 상술한 설명보다는 첨부된 청구범위에 의해 나타내어진다. 청구범위의 취지 및 등가 범위 내의 모든 변경들은 그들의 범위 내에 포함된다.

Claims (12)

  1. 패킷 교환 데이터 네트워크에서의 혼잡(congestion)을 제어하는 방법으로서,
    상기 네트워크의 제 1 노드에서 혼잡을 검출하는 단계와,
    혼잡이 검출되면, 소정 기간 동안 상기 제 1 노드로의 데이터 전송을 중지시키기 위해 제 1 노드로부터 업스트림인 제 2 노드로 중지(pause) 메시지를 송신하고, 혼잡을 경감시키는데 필요한 버퍼 공간의 양을 나타내는 정보를 상기 제 2 노드로 송신하는 단계와,
    상기 제 2 노드의 상기 버퍼 용량이 필요한 버퍼 용량보다 적은 경우, 상기 혼잡을 감소시키도록 동작하는 단계를 포함하는
    패킷 교환 데이터 네트워크에서의 혼잡 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 노드는 혼잡을 감소시키기 위해 패킷을 드롭(drop)하는
    패킷 교환 데이터 네트워크에서의 혼잡 제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 노드의 버퍼 용량이 필요한 버퍼 용량보다 적은 경우, 상기 제 2 노드로부터 업스트림인 제 3 노드에 중지 메시지를 송신함으로써 상기 혼잡을 감소시키도록 동작하는 단계를 포함하는
    패킷 교환 데이터 네트워크에서의 혼잡 제어 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 노드의 버퍼 용량이 필요한 버퍼 용량보다 적은 경우, 상기 제 2 노드의 상기 버퍼 용량을 고려하여 필요한 버퍼 공간의 양을 나타내는 정보를 상기 제 3 노드로 송신하는 단계를 포함하는
    패킷 교환 데이터 네트워크에서의 혼잡 제어 방법.
  5. 제 1항 내지 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중지 메시지는 이더넷 프로토콜에 따른 PAUSE 메시지인
    패킷 교환 데이터 네트워크에서의 혼잡 제어 방법.
  6. 제 1 항 내지 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중지 메시지는 필요한 버퍼 공간의 양을 나타내는 정보를 포함하는
    패킷 교환 데이터 네트워크에서의 혼잡 제어 방법.
  7. 제 5 항을 인용하는 제 6 항에 있어서,
    IEEE 802.3x에 따른 PAUSE 메시지 프레임이 혼잡의 존재 및 필요한 버퍼 용량을 나타내는데 사용되는 부가적인 비트를 포함하는
    패킷 교환 데이터 네트워크에서의 혼잡 제어 방법.
  8. 제 1 항 내지 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    필요한 버퍼 공간의 양을 나타내는 정보가 중지 메시지 외의 다른 유형의 메시지로 송신되는
    패킷 교환 데이터 네트워크에서의 혼잡 제어 방법.
  9. 제 1 항 내지 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼잡의 존재를 나타내는 정보가 상기 제 1 노드로부터 트래픽 관리 시스템으로 전송되고, 상기 트래픽 관리 시스템은 상기 제 1 노드에게 상기 혼잡을 경감시키는데 필요한 버퍼 공간의 양 및 혼잡을 경감시키는데 필요한 네트워크 경로 중 적어도 하나를 통지하는
    패킷 교환 데이터 네트워크에서의 혼잡 제어 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 노드가 상기 네트워크 경로를 통지 받는 경우, 상기 중지 메시지가 상기 네트워크 경로를 따라서만 전송되는
    패킷 교환 데이터 네트워크에서의 혼잡 제어 방법.
  11. 제 1 항 내지 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼잡을 경감시키는데 필요한 버퍼 공간의 양은 혼잡의 유형에 의존하는
    패킷 교환 데이터 네트워크에서의 혼잡 제어 방법.
  12. 제 1 항 내지 11 항 중 어느 한 항의 방법에 따른 혼잡 제어 메커니즘을 갖는 데이터 네트워크.
KR1020107012923A 2007-12-06 2008-11-24 패킷 교환 데이터 네트워크에서의 혼잡 제어 방법 및 데이터 네트워크 KR101467614B1 (ko)

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